Využití laserů ve vědě Vojtěch Krčmarský
Spektroskopie ▸ ▸ ▸
Vědní obor zabývající se měřením emise a absorpce záření Zakladatelé: Jan Marek Marci, Isaac Newton Spektroskopické metody poskytují informaci o struktuře na atomové a molekulární úrovni
Využití spektroskopie ▸ ▸ ▸
Fyzika: vysoce přesná měření, metrologie, astrofyzika Chemie: fyzikální a analytická chemie Biologie: biofyzika, molekulární biologie
Základní schéma spektroskopie
Ramanova spektroskopie ▸ ▸ ▸ ▸
Metoda analytické chemie Využívá se Ramanova jevu Používá se rozptyl laserového paprsku při interakci se vzorkem 3 způsoby interakce: 1.
Záření excituje elektron a při návratu do základního
stavu se vyzáří foton o stejné λ, tato interakce nenese analytickou informaci
2.
3.
Excitovaný elektron se nevrátí do původního stavu, ale vrací se do vyšší hladiny, než ze které byl excitovaný, vyzáří se foton s větší vlnovou délkou (Stokesovy fotony) Excitovaný elektron se nacházel na vyšší, než základní hladině a po excitaci se vrací do základní hladiny za vyzáření kratší λ (Anti-Stokesovy fotony),
•. •.
Posuny frekvencií Stokesových a antiStokesových fotonů nesou informaci o složení Využití: analýza drog, farmaceutik, barev, inkoustů atp.
Laserová spektroskopie LIBS ▸ ▸ ▸
LIBS – Laser Inducted Breakdown Spectroscopy Využívá záření mikroplazmatu vytvořeného na zkoumaném vzorku laserovým pulzem Vytvoření mikroplazmatu: zářením ablačního laseru (Nd:YAG, excimer), fokusovaný svazek, intenzita až GW/cm2,rychlost ohřívání povrchu asi 1010 K/s
▸
▸
Po skončení pulzu se během ochlazování plazmatu (řádově v mikrosekundách) zmenšuje intenzita kontinuálního pozadí a zůstávají viditelné ostré emisní čáry ionizovaných atomů. Záření plazmatu se přenáší optickou soustavou do spektroskopu, kde je difrakcí rozloženo a dopadá na CCD čip
Interferometrie ▸
▸ ▸
Mach-Zhenderův interferometr: použití v aerodynamice pro zobrazení toku vzduchu, k měření hustoty, atp. Ring laser gyroscopes – využití v navigaci Mnoho dalších využití, speciálně Holografie
Holografie
Laserová komunikace ▸ ▸ ▸ ▸ ▸ ▸
Silně závislá na počasí Uplatnění hlavně v nadzemském prostoru – komunikace mezi satelity, se zemí pak rádiově Projekt NASA „Laser Communications Relay Demonstration“ – start plánovaný v roce 2017 Laserová komunikace na dlouhou vzdálenost 10 – 100x rychlejší přenos než rádiem (video)
Kvantová informatika ▸ ▸ ▸ ▸ ▸
Klasická informatika – bity (1 nebo 0) Kvantová informatika –qubity (1, 0, nebo jakákoliv kvantová superpozice mezi těmito stavy) Manipulace s qubity pomocí qvantových logických hradel Systém hradel = kvantový algoritmus Nosič kvantové informace – fotony, kódováno např. v polarizaci
Kvantová kryptografie ▸ ▸ ▸
▸
Problém šifrování – přenesení klíče Klíč se šifruje do kvantových stavů částice V případě odposlechu dojde k narušení kvantových stavů, což lze příjemce pozná -> klíč se nepoužije, nedojde k úniku dat Opět se využívá polarizačních stavů světla
▸
ELI – extreme light infrastructure
▸
3 výzkumná centra v Evropě, 1x v ČR
▸
Základní z program ELI beamlines: Lasery pro generaci repetičních ultrakrátkých pulsů a výkonech násobků petawattů
▸
Vybudování laserového systému složeného ze dvou 10 PW zesilovačů a kompresorů
▸
Další aktivity v rámci ELI beamlines: ▸ ▸ ▸ ▸
Urychlování částic pomoci laserů Aplikace v biomedicínských a materiálových vědách Fyzika plazmatu a vysokých hustot energie Exotická fyzika a teorie (polarizace vakua, kvatově elektrodynamická pole v oblasti vysokých laserových polí)
V Č R v současnosti laser PALS (jódový laser, 1315 nm, puls 350 ps až 3 TW), poznávání extrémních stavů látky Více informací na www.eli-beams.eu
▸
High average power pulsed lasers
▸
Vývoj a aplikace pevnolátkových diodově čerpaných laserů s vysokou energií a vysokou opakovací frekvencí
▸
2 technologické koncepty: ▸
Zesilovače na bázi tenkých disků s průměrným výstupním výkonem v řádu kW
▸
Multi-deskové zesilovače dosahující vysokou výstupní energii v pulsu s opakovací frekvencí 10 Hz, škálovatelné na úroveň kJ
Laserová fúze ▸
Zažehnutí termojaderné fúze působením laseru
▸
▸
▸
Ohřev kapsle: Na palivovou kapsli (zmražená směs deuteria a tritia) velikosti hrášku svítí z různých stran lasery, které zahřejí její povrch (lze provést také RTG zářením) Komprese paliva: Z povrchu materiálu unikají výtrysky látky, které stlačují kapsli do centra, kde rychle roste teplota a hustota paliva Zážeh paliva: Palivo zmražené v kapsli má cca 5∙1028 částic/m3, pokud je stlačeno 10 000x a jeho teplota je asi 1 000 000°C, dojde k zážehu fúzní reakce
▸
▸
Termojaderné hoření: fúzní reakce se rychle rozšíří do celého objemu paliva a uvolní mnohonásobn ě větší energii, než byla dodána (energie 1 DT cyklu je úměrná asi 15 kg spáleného uhlí) Gekko XII – Osaka, NIF, v Evropě HiPER
Děkuji Vám za pozornost
